ЕМКОСТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ УРОВНЯ Российский патент 1995 года по МПК G01F23/26 G01F23/24 

Емкостный измеритель уровня предназначен для измерения уровня диэлектрической жидкости, например масла, и формирования сигнала, пропорционального уровню жидкости, и рассчитан на эксплуатацию преимущественно на транспортных машинах.

Для измерения уровня диэлектрических жидкостей широко применяются емкостные уровнемеры, работа которых основана на изменении электрической емкости чувствительного элемента (емкостного датчика) при изменении уровня жидкости, находящейся в емкостном датчике. Наряду с существенными преимуществами емкостных уровнемеров по отношению к другим типам уровнемеров: простота конструкции, высокая технологичность изготовления и надежность работы они имеют малые величины электрической емкости чувствительного элемента, соизмеримые по величине с емкостью линий связи (кабелей, проводов), соединяющих чувствительный элемент с прочими элементами уровнемера. Для уровнемеров, используемых на транспортных машинах для дистанционного измерения уровня масла, величина приращения емкости чувствительного элемента при изменении уровня масла может быть в несколько раз меньше величины емкости линий связи. В таких условиях получение информации об изменении емкости является достаточно сложной задачей, и для ее решения применяют, например, дифференциальное включение двух емкостных датчиков по мостовым и иным схемам или высокодобротные резонансные контуры в схемах обработки сигналов емкостных датчиков.

Малые величины емкости чувствительного элемента приводят к тому, что зависимость от ее величины проявляется только при высокочастотных сигналах, поэтому при проектировании и изготовлении уровнемера требуется учитывать специфические особенности технологии производства высокочастотной электронной техники, чтобы обеспечить передачу и обработку высокочастотных сигналов, а также, как правило, применять высокочастотные генераторы опорного напряжения. Кроме того, использование высокочастотных сигналов для получения и передачи информации об изменении емкости емкостного датчика приводит к большой чувствительности схемы выделения полезного сигнала к электромагнитным излучениям промышленных машин и установок, например к электромагнитному излучению системы зажигания двигателя автомобиля, на шасси которого может быть смонтирован экскаватор или подъемный кран с гидравлической системой, оснащенной уровнемером.

Следовательно, обеспечение высокой точности измерения изменения емкости чувствительного элемента в процессе эксплуатации при действии на уровнемер широкого спектра электромагнитных излучений при больших изменениях температуры окружающей среды весьма сложная задача. Достаточно сложно также обеспечивать стабильность характеристик уровнемеров от образца к образцу в процессе серийного производства.

Известен дискретный емкостный измеритель уровня по авт.св. N 1076763, кл. G 01 F 23/26, имеющий, с целью повышения точности измерений, два чувствительных элемента емкостных датчика, что привело к усложнению измерителя и повышению его габаритов и стоимости.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному является емкостной измеритель уровня по авт.св. N 1201686, кл. G 01 F 23/26, 1982. В этом устройстве высокая чувствительность и точность измерения достигаются за счет применения высокочастотного генератора и использования высокочастотного опорного сигнала переменного тока. Это предъявляет высокие требования к технологии изготовления устройства и линий связи, снижает помехозащищенность и препятствует удалению емкостного датчика от остальных элементов емкостного измерителя уровня. Поэтому при серийном производстве и пpи эксплуатации в условиях существенного изменения температуры окружающей среды, например, от +50 до -50^оС сохранить высокую точность измерения уровня жидкости с помощью этого устройства невозможно.

Целью настоящего изобретения является повышение точности дистанционного измерения уровня жидкости.

Поставленная цель достигается тем, что емкостный измеритель уровня, содержащий двухэлектродный датчик, второй электрод которого подключен к корпусу, и преобразователь емкости в напряжение, выполненный в виде операционного усилителя со звеном отрицательной обратной связи к неинвертирующему входу которого подключен первый электрод датчика, введены фазочувствительный выпрямитель, делитель напряжения и последовательно соединенные стабилизированный источник двухполярного питания, несимметричный мультивибратор, первый дифференциатор и второй дифференциатор, выход которого подключен к входам операционного усилителя, выход которого соединен с входом фазочувствительного выпрямителя, к управляющему входу которого подключен выход первого дифференциатора, выход несимметричного мультивибратора соединен также с входом стабилизированного источника двухполярного питания, первый выход которого через делитель напряжения подключен к входу операционного усилителя, причем общая точка делителя напряжения подключена к корпусу, а с первого и второго выходов стабилизированного источника питания двухполярное питание поступает на входы питания операционного усилителя.

Существенными особенностями предлагаемого технического решения, способствующими решению поставленной технической задачи являются:
использование несимметричного мультивибратора в качестве генератора опорного напряжения, причем мультивибратор не только вырабатывает зондирующий емкостный датчик импульс, но и задает паузу между импульсами напряжения такой длины, чтобы переходные процессы в силовых элементах схемы к моменту выработки следующего импульса закончились и не создавали электромагнитных излучений, препятствующих выделению и обработке полезного сигнала. Двукратная смена знака выходного напряжения мультивибратора в течение небольшой части периода колебаний обеспечивает малый уровень шумов в конце более продолжительного периода подготовки к измерениям (к детектированию);
сравнительно низкая частота следования импульсов и детектирование (выделение) при помощи фазочувствительного детектора с заполнением полезного сигнала в течение небольшой части периода, когда соотношение сигнал-шум наиболее благоприятно для выделения полезного сигнала. Фазочувствительный выпрямитель с запоминанием позволяет сохранять полезный сигнал в течение сравнительно длительной паузы между импульсами и запоминать новое значение сигнала за достаточно короткий интервал времени, соответствующий длительности зондирующего импульса;
уменьшение влияния нестабильности параметров элементов мультивибратора в процессе эксплуатации и при изготовлении на свойства входного управляющего сигнала фазочувствительного выпрямителя и поддержание оптимальных характеристик этого сигнала за счет подавления постоянной составляющей сигнала мультивибратора в результате введения первого дифференциатора. Повышение требования к стабильности постоянной составляющей управляющего сигнала фазочувствительного выпрямителя стабильности его рабочей области основываются на необходимости обеспечения высокого быстродействия фазочувствительного выпрямителя при поступлении сигнала запоминания, по длительности соответствующего весьма короткому зондирующему импульсу;
смещение периода детектирования полезного сигнала в тот интервал времени, в котором на выходе операционного усилителя не проявляются шумы (помехи) коммутации выходных транзисторов мультивибратора за счет введения второго дифференциатора, имеющего постоянную времени, большую, чем постоянные времени фильтров низких частот, реализованных на операционном усилителе, в результате подключения к нему звена отрицательной обратной связи и емкостного датчика. В итоге сигнал на выходе операционного усилителя запаздывает по отношению к сигналу на управляющем входе фазочувствительного выпрямителя, и запоминание сигнала операционного усилителя происходит именно в тот момент времени, когда уровень шумов коммутации минимален, а уровень полезного сигнала максимален;
использование погрешностей стабилизации напряжения питания, присущих простейшим стабилизаторам напряжения, для компенсации изменения выходного сигнала уровнемера при изменении скважности сигнала мультивибратора и изменении напряжения питания операционного усилителя в результате введения делителя напряжения, подключенного между выходом стабилизированного источника двухполярного питания и входом операционного усилителя. В предлагаемом устройстве выходной сигнал преобразователя емкости в напряжение зависит от скважности опорного напряжения, вырабатываемого мультивибратором, и от величины стабилизированного напряжения питания, поступающего на операционный усилитель. Кроме того, стабилизированное напряжение двухполярного источника питания зависит от скважности сигнала мультивибратора, например, при изменении скважности будет изменяться и отрицательное напряжение питания (это связано с падением напряжений на реальных элементах схемы источника питания). Поэтому для компенсации влияния изменений скважности и напряжения питания в предлагаемом устройстве вход операционного усилителя подключен через делитель напряжения к стабилизированному источнику питания, причем средняя точка делителя напряжения подключена к корпусу (нулевому потенциалу) устройства, а коэффициент усиления от входа делителя напряжения до выхода операционного усилителя, на котором реализован преобразователь емкости, подбирается изменением коэффициента передачи делителя таким, чтобы компенсировать влияние изменений скважности. Выбор коэффициента передачи делителя напряжения целесообразно делать на этапе сборки устройства, добиваясь неизменности выходного сигнала устройства при изменениях скважности сигнала мультивибратора. Это существенно снижает требования к отклонениям значений параметров элементов, из которых собирается устройство, от номинальных значений и обеспечивает высокую точность измерений при эксплуатации в случае изменения параметров элементов устройства, например, при изменении температуры окружающей среды.

На фиг. 1 приведена блок-схема устройства; на фиг.2 схема стабилизированного источника питания; на фиг.3 схема фазочувствительного выпрямителя; на фиг.4 эпюры напряжений.

Предлагаемое устройство (фиг. 1) состоит из последовательно включенных мультивибратора 1, первого дифференциатора 2, второго дифференциатора 3, операционного усилителя 4 и фазочувствительного выпрямителя 5, делителя напряжения 6, стабилизированного источника 7 двухполярного питания, оба выхода которого подключены к операционному усилителю 4, кроме того, один выход подключен также к мультивибратору 1, а другой через делитель напряжения 6 также подключен к входу операционного усилителя 4, из включенного между выходом и инвертирующим входом операционного усилителя 4 звена 8 отрицательной обратной связи и из подключенного между неинвертирующим входом и корпусом двухэлектродного емкостного датчика 9, причем выход мультивибратора 1 подключен к входу стабилизированного источника питания 7.

Стабилизированный источник двухполярного питания (фиг.2) может быть реализован, например, при помощи транзистора 1, стабилитрона D₁, диодов D₂-D₄, конденсаторов С₁-С₃ и резисторов R₁-R₄. На стабилизированный источник двухполярного питания подается нестабилизированное напряжение питания, например, бортсети экскаватора U_пит и прямоугольные однополярные импульсы напряжения с выхода мультивибратора U_мв и снимаются положительное и отрицательное напряжения питания с контактов а и б. Положительное напряжение устанавливается при помощи делителя напряжения, реализованного на последовательно включенных резисторе R₁ и стабилитроне D₁, и снимается с контакта а. При этом высокочастотные флуктуации напряжения питания подавляются при помощи фильтра низких частот, реализованного на том же резисторе и конденсаторе С₁. Поступающие через резистор R₃ на базу транзистора Т прямоугольные импульсы напряжения периодически открывают и закрывают транзистор Т, подключая положительный электрод конденсатора С₂ либо к корпусу через открытый транзистор, либо к напряжению питания бортсети через резистор R₂, причем максимальный уровень положительного напряжения ограничивается через диод D₂ стабилизированным на стабилитроне D₁ напряжением. Так как отрицательный электрод конденсатора С₂ подключен к корпусу через диод D₄, на этом электроде в результате несимметричного перезаряда конденсатора будет накапливаться отрицательный потенциал, ограниченный по модулю максимальным уровнем положительного напряжения, поступающего на конденсатор. Этот отрицательный потенциал через диод Д₃ поступает на фильтрующий конденсатор С₃, и в результате стабилизированное напряжение отрицательной полярности может быть снято с контакта б стабилизированного источника двухполярного питания.

Фазочувствительный выпрямитель (фиг.3) может быть реализован, например, при помощи полевого транзистора Т, диода D, конденсатора С и двух резисторов R₁ и R₂. На управляющий вход фазочувствительного выпрямителя поступает управляющее коммутирующее напряжение U_у, эпюра которого приведена на фиг.4,а, а на основной коммутируемый (детектируемый) вход поступает напряжение с выхода операционного усилителя U_оу, эпюра которого приведена на фиг.4,в.

При отрицательном управляющем напряжении U_у это напряжение, проходя через диод D, поступает на затвор транзистора Т и запирает его, при этом на конденсаторе С сохраняется имевшееся на нем до запирания напряжение. При положительном управляющем напряжении U_у на затвор транзистора Т через резистор R поступает нулевой потенциал и транзистор открывается. Конденсатор С через резистор R₂ заряжается напряжением U_оу c выхода операционного усилителя. Постоянная времени фазочувствительного выпрямителя, равная произведению значений сопротивления резистора R₂ на емкость конденсатора С, выбирается такой, чтобы обеспечить достаточно быстрое отслеживание амплитуды напряжения, а с другой стороны, чтобы обеспечить подавление высокочастотных помех. Диод D не допускает насыщения затвора транзистора Т носителями положительных зарядов, что уменьшает время переключения транзистора из открытого состояния в закрытое.

Емкостный измеритель уровня в целом работает следующим образом.

После включения на выходе мультивибратора 1 периодически возникают прямоугольные импульсы напряжения с фиксированной частотой следования. Этот сигнал поступает на вход первого дифференциатора 2, где постоянная составляющая сигнала мультивибратора 1 подавляется и на выход первого дифференциатора 2 проходит только переменная составляющая сигнала мультивибратора 1. Эпюра этого сигнала приведена на фиг.4,а. Отрицательным управляющим сигналом фазочувствительный выпрямитель 5 запирается. При поступлении положительного импульса через первый дифференциатор 2 от мультивибратора 1 фазочувствительный выпрямитель открывается, и на нем происходит запоминание коммутируемого напряжения.

Напряжение с выхода первого дифференциатора 2 поступает также и на вход второго дифференциатора 3, где постоянная составляющая сигнала подавляется, а переменная проходит почти без искажений. С выхода второго дифференциатора 3 импульсное переменное напряжение поступает на инвертирующий и неинвертирующий входы операционного усилителя 4, к которым подключены звено 8 отрицательной обратной связи и двухэлектродный емкостный датчик 9. Такое включение операционного усилителя 4 обеспечивает создание фильтра низких частот первого порядка как по инвертирующему, так и по неинвертирующему входу, причем постоянная времени в первом случае определяется емкостью в звене 8 отрицательной обратной связи, а во втором емкостью двухэлектродного емкостного датчика 9. На выходе операционного усилителя 4 сигнал пропорционален разности произведений равных между собой входных сигналов на передаточные функции по инвертирующему и неинвертирующему каналам. Если передаточные функции равны, т. е. равны емкости звена 8 отрицательной обратной связи и двухэлектродного емкостного датчика 9, то сигнал на выходе операционного усилителя 4 будет равен нулю. Так как емкость двухэлектродного емкостного датчика 9 зависит от уровня жидкости, то и амплитуда выходного сигнала операционного усилителя 4 будет изменяться при изменении уровня жидкости. Амплитудные значения сигнала операционного усилителя 4 запоминаются и усредняются на фазочувствительном выпрямителе 5.

На выходе идеального фильтра низких частот первого порядка сигнал должен был бы иметь вид в соответствии с фиг.4,б. В этом случае на коммутируемый вход фазочувствительного выпрямителя 5 в момент запоминания поступало бы очень быстро изменяющееся напряжение с выхода операционного усилителя 4, что существенно затруднило бы выделение полезного сигнала на фоне шумов. В предлагаемом устройстве за счет использования и учета запаздывания сигнала при прохождении через реальный операционный усилитель 4, представляющий собой инерционное звено высокого порядка, и выбора постоянной времени второго дифференциатора 3 эпюра сигнала на выходе операционного усилителя 4 имеет вид, представленный на фиг.4,в. Как следует из фиг.4,в, запоминание сигнала операционного усилителя 4 происходит в тот момент периода, когда величина полезного сигнала достигает максимума и быстрота его изменения минимальна. Кроме того, влияние перехода мультивибратора 1 из статического в динамическое состояние на выходном сигнале операционного усилителя 4 еще не сказывается во время запоминания сигнала, а шумы мультивибратора в статическом состоянии минимальны и безусловно меньше, чем у высокочастотного генератора. В этот момент соотношение сигнал-шум наиболее благоприятно для выделения полезного сигнала.

Перевод в статическое состояние мультивибратора (силовой электронной части устройства) на время, достаточное для завершения переходных процессов в остальных элементах устройства, позволяет осуществлять запоминание полезного сигнала при минимальном уровне шумов. Малое время запоминания обеспечивает подачу мультивибратором короткого, т.е. высокочастотного импульса, достаточно высокочастотного для того, чтобы при прохождении через фильтр низких частот на основе двухэлектродного емкостного датчика, обладающего малой емкостью, свойства этого фильтра как фильтра низких частот и, соответственно, емкости двухэлектродного емкостного датчика могли проявиться. Таким образом, использование несимметричного мультивибратора позволяет существенно улучшить соотношение сигнал-шум в процессе измерений, соответственно, упростить схему устройства, отказавшись от применения высокодобротных резонансных фильтров для выделения полезной составляющей сигнала, уменьшить чувствительность устройства к изменениям параметров компонентов устройства в процессе изготовления и эксплуатации.

Особенностью предлагаемого устройства является зависимость выходного сигнала преобразователя емкости в напряжение от скважности опорного напряжения, вырабатываемого мультивибратором, и от величины стабилизированного напряжения питания, поступающего на операционный усилитель. Кроме того, особенностью устройства является и взаимозависимость стабилизированного напряжения питания и скважности сигнала мультивибратора, например, при изменении скважности будет изменяться и отрицательное напряжение питания (это связано с падением напряжений на реальных элементах схемы источника питания: транзисторе Т, диодах D₂-D₄). Поэтому для компенсации влияния изменений скважности и напряжения питания в предлагаемом устройстве (см.фиг.1) вход операционного усилителя 4 подключен через делитель напряжения 6 к стабилизированному источнику питания 7, причем средняя точка делителя напряжения 6 подключена к корпусу (нулевому потенциалу) устройства, а коэффициент усиления от входа делителя напряжения 6 до выхода операционного усилителя, на котором реализован преобразователь емкости, подбирается изменением коэффициента передачи делителя таким, чтобы компенсировать влияние изменений скважности. Выбор коэффициента передачи делителя напряжения целесообразно делать на этапе сборки устройства, добиваясь неизменности выходного сигнала устройства при изменениях скважности сигнала мультивибратора. Это существенно снижает требования к разбросу параметров элементов, из которых собирается устройство, и обеспечивает сохранение высокой точности измерений в эксплуатации при изменениях параметров элементов устройства, например, при изменении температуры окружающей среды.

Сущность изобретения: устройство содержит мультивибратор 1, дифференциаторы 2,3, операционный усилитель 4 со звеном 8 отрицательной обратной связи, фазочувствительный выпрямитель 5, делитель напряжения 6, стабилизированный источник 7 двухполярного питания, двухэлектродный емкостный датчик 9. 4 ил.

ЕМКОСТНЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ УРОВНЯ, содержащий двухэлектродный датчик, второй электрод которого подключен к корпусу, и преобразователь емкости в напряжение, выполненный в виде операционного усилителя со звеном отрицательной обратной связи, к неинвертирующему входу которого подключен первый электрод датчика, отличающийся тем, что в него введены фазочувствительный выпрямитель, делитель напряжения и последовательно соединенные стабилизированный источник двухполярного питания, несимметричный мультивибратор, первый дифференциатор и второй дифференциатор, выход которого подключен к входам операционного усилителя, выход которого соединен с входом фазочувствительного выпрямителя, к управляющему входу которого подключен выход первого дифференциатора, при этом выход несимметричного мультивибратора соединен также с входом стабилизированного источника двухполярного питания, первый выход которого через делитель напряжения подключен к входу операционного усилителя, причем общая точка делителя напряжения подключена к корпусу, а первый и второй выходы стабилизированного источника двухполярного питания подключены к входам питания операционного усилителя.